黄石废弃采石场人工植被修复后重金属含量特征及污染评价

尹晓蛟 唐利君 曾庆春 白琳 赵玉清 杨旭

摘 要： 对黄石市黄荆山北麓废弃采石场因不同修复模式形成的各植被群落中土壤的重金属进行比较研究，并应用内梅罗污染指数法和哈坎松潜在生态危害法评价土壤重金属污染程度。结果表明：（1）试验中的七种复垦模式对于改善采石场废弃地土壤重金属污染状况有一定的效果，且效果因植被修复模式而异；（2） 刺槐对降低超标重金属Cd 的效果好，而在降低重金属Cu的效果上，多花木蓝优于小叶女贞；（3）内梅羅污染指数法评价结果中，刺槐纯林综合污染指数最小，在各样地超标重金属中Cd的贡献率最大，而以Ni贡献率最小；哈坎松潜在生态危害评价结果中仅以客土喷播刺槐纯林和客土喷播盐肤木+刺槐混交林的土壤污染危害较小，为轻微级别。

关键词： 废弃采石场；人工植被修复；重金属；污染评价 ；黄石市

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2018）01-0034-06

Distribution and Pollution Assessment of Heavy Metals

in Soils After Artificial Vegetation Restoration in Abandoned Quarries in Huangshi

Yin Xiaojiao（1） Tang Lijun（2） Zeng Qingchun（3） Bai Lin（1） Zhao Yuqing（1） Yang xu（1）

（1.Hubei Ecology Vacational College Wuhan 430200； 2.Hubei Provincial Peoples Government Wuhan 430071；3.Hubei Hydrographic and Water Resources Survey Bureau Wuhan 430071）

Abstract： Based on the comparison of vegetation communities developed from various restoration models on abandoned quarry in mount Huangjing， the characteristics and pollution level of heavy metal in soil are studied and evaluated with the methods of Nemerow Pollution Index and Hakanson potential ecological risks. The results indicate that： （1） the seven recovery models in the abandoned quarries are proved to be effective to reduce heavy metals content， varying from different vegetation restoration models； （2） Robinia pseudoacacia has the best result to reduce excessive heavy metals Cd， while Indigofera amblyantha Craib produces a better record than Ligustrum quihoui of decreasing heavy metal Cu in the soil； （3） with regards to Nemerow Pollution Index， pure Robinia pseudoacacia stands are reported with the lowest comprehensive pollution. Cd is the biggest contributor to the heavy metals pollution， while Ni is the slightest one in all the heavy metals studied； From the results of evaluating Hakanson potential ecological risks， only the pure Robinia pseudoacacia stands and their mixed plantations with Rhus chinensis by soil spray-sowing register the mild level of soil pollution risks.

Key words： abandoned quarry； artificial vegetation restoration； heavy metals； pollution assessment；Huangshi

矿产资源的开发利用自古以来在中国国民经济及社会发展中起着关键作用。特别是建国以来开山采矿呈现日益繁荣的景象，然而，矿石开采造成的负面影响同样不可小觑。随采矿工业产生的污水、尘土以及高浓度的重金属或非金属元素将对当地以及周边地区的生物感受器和生态系统造成不利影响。而在尾矿区及采石场废弃地，因历经一番无节制的开采却不采取任何保护措施，终致边坡裸露，水土流失，环境污染，生态景观破坏[1]。因此，对废弃采石场及时进行生态修复，重建矿区生态系统已成为当前工作焦点[2]。植被重建法因其优良显著的稳定边坡，控制污染，恢复景观，保持水土，耗资合理等优势倍受瞩目[3]。

重金属污染是采石场废弃地最普遍最为严重的环境问题之一，矿区中重金属污染物将通过水流和大气散播至周边地区，致使周边地区土壤污染，其污染程度及污染物的空间分布由重金属散播方式决定。污染地区因重金属浓度过高，严重阻碍了当地植被生长[4]。少数植物可耐受土壤中高浓度的重金属元素而得以在污染区自然生长，并不断吸收和积累土壤中的重金属元素。目前国内外利用重金属的超富集植物改良土壤已卓见成效[5]。

近年来，关于矿地土壤重金属的研究内容多集中在其污染评价和环境修复方面，但关于采石场废弃地植被修复后土壤中重金属元素的含量特征及变化趋势的研究相对较少[6-8]。本文调查研究了黄石地区黄荆山北麓废弃采石场经植被重建后，形成的七种人工植被群落中的土壤重金属含量分布特征，旨在探索植被修复模式与废弃地重金属分布状况间的内在关联，另一方面评价植被重建后的重金属污染状况，以期为采石矿废弃地植被修复工程的实施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地设置

研究地位于湖北省黄石市黄荆山北麓上窑至下陆沿线采石场废弃地，属于亚热带气候类型，年均降雨量1 3826 mm，年均温19 ℃。该区地质成分以石灰岩为主，兼有泥质灰岩、白云岩等裸岩，岩石坚硬且保水性差，植被再生困难。废弃地边坡平均高为80 m，坡度较陡，多为70°以上斜坡。基于以上因素，斜坡几无植被覆盖。针对采石场废弃地资源裸露现状，黄石市政府实行了生态复绿工程，废弃地不同的立地类型采用不同的修复模式进行植被修复[9]，修复期5年。本次立地修复表征与评价，根据黄荆山北麓塘口不同修复措施的立地条件和可达性，采用标准样地调查法，选择坡向、海拔基本一致的样地，对恢复后的植被种类进行调查统计，结果见表1。

1.2 采样方法

对黄荆山北麓不同修复模式植被恢复后的采石场选择坡向、海拔、经纬度等立地条件基本一致的七处代表性样地作为采样点。每处采样地点选取乔木生长群落样地20 m×20 m或灌木生长群落样地10 m×10 m，每块样地随机布置1 m2采样样方3个，以S形法采集5个点0～20 cm的垂直土层，同一样方5个点的土样均匀混合，经四分法处理后再次收集，风干研磨，过100目筛，保存备用。

1.3 样品测定方法

备用样品经HF-HNO3-HClO4消解，Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、Ni含量采用原子吸收分光光度法测定，As含量采用氢化物发生原子吸收法测定[10]。

1.4 土壤重金属污染评价方法

本文主要采用内梅罗综合污染指数法及Hakanson潜在生态危害指数法对黄荆山北麓采石场废弃地植被修复后的土壤环境质量进行评价。

1.4.1 污染指数法

本次土壤环境质量评价以湖北省土壤背景值作为参比值[11]（表2）。首先计算单因子污染指数，计算公式为Pi=Ci/Si，式中Pi表示土壤中污染物i的单项污染指数；Ci为污染物i的实测值（mg/kg），Si表示污染物i的评价标准（mg/kg）。计算得到的单项污染指数，采用内梅罗（N.L.Nemerow）综合污染指数法评价该地区土壤重金属综合污染程度，内梅罗综合污染指数计算公式为：

其中I为内梅罗综合污染指数；Pi为土壤污染物单项污染指数；Pi max表示所有单因子污染指数中的最大值。

根据内梅罗污染指数值I，参照表3土壤综合污染指数评价标准[12]确定土壤污染程度。

1.4.2 潜在生态危害指数法

以单种重金属潜在生态危害系数和多种重金属潜在生态危害指数评价黄荆山北麓采石场废弃地植被重建后的土壤重金属潜在的生态风险。

单种重金属潜在生态危害系数计算公式为：

2 结果与分析

2.1 不同修复模式下土壤重金属含量

采石场废弃地经过不同模式的植被修复后，土壤表层重金属元素含量测得值见表3。各样地土壤中以元素Zn含量最高，Cd含量最低。表3结果显示C4、C5、对照组三处Zn元素平均含量已超过土壤环境质量标准Ⅲ级值；C1、C2和对照组中As元素含量超出土壤环境质量标准Ⅲ级值；除C6和C7外，其余修复模式下的样地土壤中Cd元素的含量均超过土壤环境质量标准Ⅲ级值。Cr（除C1、C2、C7三种修复模式外）平均含量明显低于当地背景值，Ni在各样地土壤中的平均含量均低于当地背景值，而Cu、Zn、Cd、Pb、As平均含量均高于当地背景值2倍以上，为强烈富集。检测的七种重金属元素中，变异系数差异最大为Cd（16.82%～65.63%），其次为Cr>Zn>As>Cu>Pb，最小为Ni（7.57%～47.75%），说明Cd、Cr在空间分布不均匀，而Ni、Pb、Cu等元素在空间分布较均匀。

方差分析表明， Cu、Pb、Ni、As四种重金属元素在不同修复模式下的土壤中含量均表現为极显著性差异（P<0.01）。而Zn、Cr、Cd元素在不同修复模式下的含量均表现为显著性差异（P<0.05）。七种修复模式下土壤中各重金属元素含量均低于CK，表明本试验研究的七种复垦模式对于改善采石场废弃地土壤重金属污染状况有一定的效果，且效果因植被修复模式不同而异。

2.2 废弃地经不同模式的植被修复后土壤重金属污染评价

2.2.1 内梅罗综合污染指数法评价结果

为客观评价不同修复模式对废弃地土壤污染程度的影响，本实验采用内梅罗综合污染指数法对各采样点土壤重金属污染程度进行综合评价（表5）。结果表明，对照样地土壤污染最为严重，综合污染指数高达6.43，为重度污染；C1～C5样地土壤污染程度相近，综合污染指数在5.01～5.77之间，也达重度污染标准；C7修复模式下的土壤污染程度略低，综合污染指数为3.62，仍为重污染；C6修复模式下土壤综合污染指数为2.72，为中度污染。比较同一样地的土壤单因子污染指数，以Cd的指数最高，Ni的指数最低。说明在各区域七种重金属污染物中Cd的贡献率最大，而以Ni贡献率最小。根据土壤污染分级标准分析，在试验介绍的七种不同的修复模式下土壤中Ni污染属安全级别；C1、C2、C3、C5修复模式下土壤中Zn、Cd、Pb、As单因子污染指数均达到重污染标准； C4模式中仅Zn和Cd属重污染，C6模式Pb属重污染，C7模式Cu、Zn、Pb属重污染；而对照组除Cr、Ni污染指数值在警戒线范围内，Cu、Zn、Cd、Pb、As五种元素均为重污染。综合污染程度CK（6.43）>C5（5.77）>C1（5.36）>C4（5.25）>C3（5.07）>C2（5.01）>C7（3.62）>C6（2.72）。

2.2.2 潜在生态危害指数法评价结果

本研究选用湖北省土壤背景值作为潜在生态危害评价参比值。各研究区土壤重金属潜在生态危害系数和潜在生态危害指数结果见表6。由表6可知本文研究的所有修复模式土壤中的Cu、Zn、Cr、Pb、Ni潜在生态危害仅为轻微级别；而Cd除在C6和C7两种修复模式下生态危害程度为中等外，其余修复模式下均表现为很强的生态危害程度；土壤中的As元素只在C2和CK两种修复模式下为中等危害程度，其余研究模式下As的生态危害程度为轻微程度。总的潜在生态危害指数仅CK组达到强危害级别，C1～C5修复模式土壤重金属存在中等生态危害，而C6和C7土壤重金属仅为轻微生态危害。以上数据说明采矿废弃地经复垦后，重金属污染程度减轻。尤以C6和C7两种修复模式效果最优。

3 讨论

C4样地植被群落多花木蓝和C5样地的多花木蓝+小叶女贞群落均是通过客土喷播模式实现植被复绿，C4和C5两地的综合污染指数相近，C5样地的Cu含量显著高于C4 样地，其它六种重金属含量在C4和C5样地无显著差异，推测多花木蓝较之小叶女贞固定、吸收和转运Cu的效果更佳。多篇文献中已报导小叶女贞和多花木蓝均为对铜蓄积能力较强的灌木[15-16]，然而关于这两种植物吸收和富集铜元素的能力之比较并未见报导。

C1、C6和C7样地分别以客土喷播的方式向坡地喷洒香樟+刺槐种子，刺槐种子以及盐肤木+刺槐种子。在5 a生长恢复期后，三块样地的植被郁闭度接近一致。比较三者的综合污染指数，刺槐林综合污染指数最低，盐肤木+刺槐混交林次之，香樟+刺槐混交林较高，主要因Cd元素的含量差异较大，C1样地综合污染指数显著高于C6，表明刺槐将比香樟有更强的富集Cd元素的能力，此现象已获得相关文献证实[17-18]。

在改善土壤重金属污染方面，豆科植物与其根系的根瘤菌形成的共生体系比其它植物表现出更为可观的效果。根瘤菌不仅可以凭借各种重金属抗性机制维持自身细胞内重金属稳定浓度，更可以利用生物固氮活动促进宿主植物生长，保证较高的植物生物量和地表覆盖率，间接促进植物修复的发展[19]。根瘤菌自身也可吸附、固定、富集重金属，为宿主缓冲重金属压力胁迫[20]。同时，根瘤菌分泌的某些代谢产物如有机酸、螯合剂等可改变重金属价态，或将其溶解，水溶态及交换态的重金属易被植物吸收和富集[21]。豆科植物-根瘤菌共生体系将显著增强污染土壤的肥力，加速周围微生物、草本或灌木植物的生长，从而达到更好的植被修复效果。本研究中豆科植物对重金属污染的良好的改良效果为植被修复工程先锋植物的选择提供了依据和借鉴。

内梅罗综合污染指数评价法和潜在生态危害指数评价法皆证明：经过植被修复的采石场废弃地重金属污染有不同程度的减轻。两种评价结果显示，Cd元素污染程度较其他重金属元素更为严重，同时其潜在危害性亦最严重。某些样地Zn元素污染程度为单因子污染指数中最大值，其潜在生态危害性却仅为轻微危害级别，这是因为Zn元素是生态环境中一种重要元素，植物与动物正常的生长与发育与之密切相关，其在土壤中的累积对于生态环境的潜在危害較小，因此尽管在内梅罗综合污染指数中Zn的数值高，潜在生态危害系数却较低。

参 考 文 献

[1]E. Remon， J. L. Bouchardon. Soil characteristics， heavy metal availability and vegetation recovery at a former metallurgical landfill： Implications in risk assessment and site restoration[J]. Environmental Pollution， 2005， 137（2）： 316-323.

[2]杨冰冰，夏汉平，黄娟.采石场石壁生态恢复研究进展[J].生态学杂志， 2005， 24（2）：181-186.

[3]M.H.Wong. Ecological restoration of mine degraded soils， with emphasis on metal contaminated soils[J]. Chemosphere， 2003， 50： 775-780.（下转第44页）